電気分解で消費される水の量は
ステップ1：水素製造
水の消費は、水素製造と上流のエネルギーキャリア製造の2つの段階で発生します。水素製造の場合、電解水の最小消費量は水素1kgあたり約9kgです。しかし、水の脱塩プロセスを考慮すると、この比率は水素1kgあたり18～24kg、あるいは25.7～30.2kgにも及ぶ可能性があります。.
既存の生産プロセス（メタン水蒸気改質）の場合、最小水消費量は4.5kgH2O/kgH2（反応に必要な量）で、プロセス水と冷却を考慮すると、最小水消費量は6.4〜32.2kgH2O/kgH2です。
ステップ2：エネルギー源（再生可能電力または天然ガス）
もう一つの要素は、再生可能電力と天然ガスの生産に必要な水の消費量です。太陽光発電の水消費量は50～400リットル/MWh（2.4～19kgH2O/kgH2）で、風力発電の水消費量は5～45リットル/MWh（0.2～2.1kgH2O/kgH2）です。同様に、シェールガスからのガス生産量（米国のデータに基づく）は、1.14kgH2O/kgH2から4.9kgH2O/kgH2に増加する可能性があります。
結論として、太陽光発電と風力発電で生成される水素の平均総水消費量は、それぞれ約32kgH2O/kgH2と22kgH2O/kgH2です。不確実性は、日射量、寿命、およびシリコン含有量に起因します。この水消費量は、天然ガスからの水素製造（7.6～37kgH2O/kgH2、平均22kgH2O/kgH2）と同程度です。
総水フットプリント：再生可能エネルギーを使用するとより低くなります
CO2排出量と同様に、電解プロセスにおける水フットプリントの低減には、再生可能エネルギー源の利用が必須です。化石燃料を用いて発電される電力がごくわずかである場合、電気分解時に実際に消費される水よりも、電力に関連する水の消費量ははるかに多くなります。
例えば、ガス発電では最大2,500リットル/MWhの水を使用します。これは化石燃料（天然ガス）の場合の最良の例でもあります。石炭ガス化を考慮すると、水素製造では31～31.8kgH2O/kgH2、石炭製造では14.7kgH2O/kgH2の消費量となります。太陽光発電や風力発電による水消費量も、製造プロセスの効率化と設備容量あたりのエネルギー出力の向上に伴い、時間の経過とともに減少すると予想されます。
2050年の総水消費量
世界では、将来、現在の何倍もの水素が使用されると予想されています。例えば、IRENAの世界エネルギー転換展望（World Energy Transitions Outlook）では、2050年の水素需要は約74EJと推定されており、そのうち約3分の2は再生可能水素から供給されるとされています。ちなみに、現在の純水素は8.4EJです。
たとえ電解水素が2050年全体の水素需要を満たすことができたとしても、水の消費量は約250億立方メートルになります。下の図は、この数値を他の人工的な水消費源と比較したものです。農業が最も多く2,800億立方メートルの水を消費しており、工業は約8,000億立方メートル、都市は4,700億立方メートルの水を使用しています。現在、水素製造のための天然ガス改質と石炭ガス化に消費される水は約15億立方メートルです。
したがって、電解経路の変化と需要の増加により大量の水が消費されると予想されるものの、水素製造に伴う水の消費量は、人類が使用する他の水資源に比べてはるかに少ないものとなるでしょう。もう一つの参考として、一人当たりの水消費量は年間75立方メートル（ルクセンブルク）から1,200立方メートル（米国）の範囲にあります。平均400立方メートル/（一人当たり * 年間）とすると、2050年における水素の総生産量は6,200万人の国に相当します。
水のコストとエネルギー消費量
料金
電解セルには高品質の水が必要であり、水処理も必要です。水質が低いと、劣化が早まり、寿命が短くなります。アルカリ電解槽で使用される隔膜や触媒、PEMの膜や多孔質輸送層など、多くの要素は、鉄、クロム、銅などの水の不純物によって悪影響を受ける可能性があります。水の導電率は1μS/cm未満、全有機炭素量は50μg/L未満である必要があります。
水はエネルギー消費量とコストに占める割合が比較的小さい。両方のパラメータにおいて最悪のシナリオは淡水化である。逆浸透膜は淡水化の主要技術であり、世界の生産能力の約70%を占めている。この技術のコストは1立方メートルあたり1900～2000ドル/日で、学習曲線は15%である。この投資コストで処理コストは約1ドル/立方メートルとなり、電力コストが低い地域ではさらに低くなる可能性がある。
さらに、輸送コストは1立方メートルあたり約1～2ドル増加します。この場合でも、水処理コストは約0.05ドル/kgH2です。これを比較すると、良質な再生可能資源が利用できる場合、再生可能水素のコストは2～3ドル/kgH2になる可能性がありますが、平均的な資源のコストは4～5ドル/kgH2です。
したがって、この控えめなシナリオでは、水のコストは全体の2%未満になります。海水を使用することで、回収できる水の量を2.5～5倍（回収率で）増やすことができます。
エネルギー消費
淡水化のエネルギー消費量を見てみると、これも電解セルへの入力に必要な電気量と比較すると非常に小さいものです。現在稼働中の逆浸透ユニットは約 3.0 kW/m3 を消費します。対照的に、熱淡水化プラントはエネルギー消費量がはるかに高く、40～80 KWH/m3 の範囲で、淡水化技術に応じて 2.5～5 KWH/m3 の追加電力要件を伴います。保守的なケース（つまり、エネルギー需要が高い）のコジェネレーションプラントを例にとると、ヒートポンプの使用を想定すると、エネルギー需要は約 0.7kWh/kg の水素に換算されます。これを視点から見ると、電解セルの電力需要は約 50～55kWh/kg であるため、最悪の場合でも、淡水化のエネルギー需要はシステムへの総エネルギー入力の約 1% になります。
淡水化における課題の一つは、塩水の廃棄です。これは、地域の海洋生態系に影響を及ぼす可能性があります。この塩水は、環境への影響を軽減するためにさらに処理することができますが、その場合、水コストにさらに0.6～2.40ドル/m³が追加されます。さらに、電解水の水質基準は飲料水よりも厳しく、処理コストが高くなる可能性がありますが、それでも電力投入量と比較すると小さいと予想されます。
水素製造用電解水のウォーターフットプリントは、地域特有のパラメータであり、地域の水資源の可用性、消費量、劣化、汚染状況などに依存します。生態系のバランスと長期的な気候動向の影響を考慮する必要があります。水の消費量は、再生可能水素の規模拡大における大きな障害となるでしょう。
投稿日時: 2023年3月8日